Բարձր ջերմահաղորդականությամբ SiC կերամիկայի պահանջարկը և կիրառումը կիսահաղորդչային ոլորտում

Ներկայումս,սիլիցիումի կարբիդ (SiC)ջերմահաղորդիչ կերամիկական նյութ է, որը ակտիվորեն ուսումնասիրվում է ինչպես հայրենիքում, այնպես էլ արտերկրում: SiC-ի տեսական ջերմահաղորդականությունը շատ բարձր է, և որոշ բյուրեղային ձևեր կարող են հասնել 270 Վտ/մԿ-ի, որն արդեն իսկ առաջատար է ոչ հաղորդիչ նյութերի շարքում: Օրինակ, SiC ջերմահաղորդականության կիրառումը կարելի է տեսնել կիսահաղորդչային սարքերի հիմքային նյութերում, բարձր ջերմահաղորդականությամբ կերամիկական նյութերում, կիսահաղորդչային մշակման համար նախատեսված տաքացուցիչներում և տաքացնող թիթեղներում, միջուկային վառելիքի համար նախատեսված պարկուճային նյութերում և կոմպրեսորային պոմպերի համար նախատեսված գազային կնքման օղակներում:

Կիրառումըսիլիցիումի կարբիդկիսահաղորդչային ոլորտում

Հղկող սկավառակներն ու հարմարանքները կարևոր տեխնոլոգիական սարքավորումներ են կիսահաղորդչային արդյունաբերության մեջ սիլիցիումային թիթեղների արտադրության համար: Եթե հղկող սկավառակը պատրաստված է թուջից կամ ածխածնային պողպատից, դրա ծառայության ժամկետը կարճ է, իսկ ջերմային ընդարձակման գործակիցը՝ մեծ: Սիլիցիումային թիթեղների մշակման ընթացքում, հատկապես բարձր արագությամբ հղկման կամ փայլեցման ժամանակ, հղկող սկավառակի մաշվածության և ջերմային դեֆորմացիայի պատճառով, դժվար է երաշխավորել սիլիցիումային թիթեղի հարթությունը և զուգահեռությունը: Հղկող սկավառակը պատրաստված է...սիլիցիումի կարբիդային կերամիկաԲարձր կարծրության շնորհիվ ունի ցածր մաշվածություն, և ջերմային ընդարձակման գործակիցը հիմնականում նույնն է, ինչ սիլիկոնային վաֆլիներինը, ուստի այն կարող է հղկվել և հղկվել մեծ արագությամբ։

Բացի այդ, երբ արտադրվում են սիլիցիումային վեֆլեր, դրանք պետք է ենթարկվեն բարձր ջերմաստիճանային ջերմային մշակման և հաճախ տեղափոխվում են սիլիցիումի կարբիդային հարմարանքների միջոցով: Դրանք ջերմակայուն են և ոչ քայքայիչ: Արդյունավետությունը բարելավելու, վեֆլերների վնասը մեղմելու և աղտոտման տարածումը կանխելու համար մակերեսին կարող են կիրառվել ադամանդանման ածխածին (DLC) և այլ ծածկույթներ:

Ավելին, որպես երրորդ սերնդի լայն գոտիական բացվածքով կիսահաղորդչային նյութերի ներկայացուցիչ, սիլիցիումի կարբիդային միաբյուրեղային նյութերն ունեն այնպիսի հատկություններ, ինչպիսիք են գոտիական բացվածքի մեծ լայնությունը (մոտ 3 անգամ Si-ից), բարձր ջերմահաղորդականությունը (մոտ 3.3 անգամ Si-ից կամ 10 անգամ GaAs-ից), էլեկտրոնների հագեցվածության բարձր միգրացիայի արագությունը (մոտ 2.5 անգամ Si-ից) և բարձր ճեղքման էլեկտրական դաշտը (մոտ 10 անգամ Si-ից կամ 5 անգամ GaAs-ից): SiC սարքերը լրացնում են ավանդական կիսահաղորդչային նյութերի սարքերի թերությունները գործնական կիրառություններում և աստիճանաբար դառնում են հզոր կիսահաղորդիչների հիմնական մասը:

Բարձր ջերմահաղորդականությամբ սիլիցիումի կարբիդային կերամիկայի պահանջարկը կտրուկ աճել է

Գիտության և տեխնոլոգիայի շարունակական զարգացման հետ մեկտեղ, կիսահաղորդչային ոլորտում սիլիցիումի կարբիդային կերամիկայի կիրառման պահանջարկը կտրուկ աճել է, և բարձր ջերմահաղորդականությունը կիսահաղորդչային արտադրության սարքավորումների բաղադրիչներում դրա կիրառման հիմնական ցուցանիշն է: Հետևաբար, կարևոր է ուժեղացնել բարձր ջերմահաղորդականությամբ սիլիցիումի կարբիդային կերամիկայի հետազոտությունները: Ցանցային թթվածնի պարունակության նվազեցումը, խտության բարելավումը և ցանցային երկրորդ փուլի բաշխման ողջամիտ կարգավորումը սիլիցիումի կարբիդային կերամիկայի ջերմահաղորդականությունը բարելավելու հիմնական մեթոդներն են:

Ներկայումս իմ երկրում բարձր ջերմահաղորդականությամբ սիլիցիումի կարբիդային կերամիկայի վերաբերյալ քիչ ուսումնասիրություններ կան, և դեռևս մեծ բաց կա համաշխարհային մակարդակի համեմատ: Ապագա հետազոտությունների ուղղությունները ներառում են.
● Հզորացնել սիլիցիումի կարբիդային կերամիկական փոշու պատրաստման գործընթացի հետազոտությունը։ Բարձր մաքրության, ցածր թթվածնի պարունակությամբ սիլիցիումի կարբիդային փոշու պատրաստումը հիմք է հանդիսանում բարձր ջերմահաղորդականությամբ սիլիցիումի կարբիդային կերամիկայի պատրաստման համար։
● Հզորացնել սինտերացման օժանդակ միջոցների և դրանց հետ կապված տեսական հետազոտությունների ընտրությունը։
● Հզորացնել բարձրակարգ սինտերացման սարքավորումների հետազոտությունն ու մշակումը։ Կարգավորելով սինտերացման գործընթացը՝ ստանալով ողջամիտ միկրոկառուցվածք, դա անհրաժեշտ պայման է բարձր ջերմահաղորդականությամբ սիլիցիումի կարբիդային կերամիկա ստանալու համար։

Սիլիցիումի կարբիդային կերամիկայի ջերմահաղորդականության բարելավման միջոցառումներ

SiC կերամիկայի ջերմահաղորդականության բարելավման բանալին ֆոնոնների ցրման հաճախականության նվազեցումն է և ֆոնոնային միջին ազատ ուղու մեծացումը: SiC-ի ջերմահաղորդականությունը արդյունավետորեն կբարելավվի՝ նվազեցնելով SiC կերամիկայի ծակոտկենությունը և հատիկների սահմանային խտությունը, բարելավելով SiC հատիկների սահմանների մաքրությունը, նվազեցնելով SiC ցանցի խառնուրդները կամ ցանցի արատները, և ավելացնելով SiC-ում ջերմային հոսքի փոխանցման կրիչը: Ներկայումս SiC կերամիկայի ջերմահաղորդականության բարելավման հիմնական միջոցներն են սինթերացման օժանդակ միջոցների տեսակի և պարունակության օպտիմալացումը, ինչպես նաև բարձր ջերմաստիճանային ջերմային մշակումը:

① Սինտերացման օժանդակ միջոցների տեսակի և պարունակության օպտիմալացում

Բարձր ջերմահաղորդականությամբ SiC կերամիկա պատրաստելիս հաճախ ավելացվում են տարբեր սինթերացման օժանդակ նյութեր: Դրանցից սինթերացման օժանդակ նյութերի տեսակը և պարունակությունը մեծ ազդեցություն ունեն SiC կերամիկայի ջերմահաղորդականության վրա: Օրինակ, Al2O3 համակարգի սինթերացման օժանդակ նյութերի մեջ Al կամ O տարրերը հեշտությամբ լուծվում են SiC ցանցում, ինչը հանգեցնում է դատարկությունների և արատների առաջացմանը, ինչը հանգեցնում է ֆոնոնների ցրման հաճախականության աճի: Բացի այդ, եթե սինթերացման օժանդակ նյութերի պարունակությունը ցածր է, նյութը դժվար է սինթերացնել և խտացնել, մինչդեռ սինթերացման օժանդակ նյութերի բարձր պարունակությունը կհանգեցնի խառնուրդների և արատների աճի: Հեղուկ փուլի սինթերացման օժանդակ նյութերի չափազանց մեծ քանակը կարող է նաև խոչընդոտել SiC հատիկների աճը և նվազեցնել ֆոնոնների միջին ազատ ուղին: Հետևաբար, բարձր ջերմահաղորդականությամբ SiC կերամիկա պատրաստելու համար անհրաժեշտ է հնարավորինս նվազեցնել սինթերացման օժանդակ նյութերի պարունակությունը՝ միաժամանակ բավարարելով սինթերացման խտության պահանջները, և փորձել ընտրել այնպիսի սինթերացման օժանդակ նյութեր, որոնք դժվար է լուծվել SiC ցանցում:

*SiC կերամիկայի ջերմային հատկությունները, երբ ավելացվում են տարբեր սինթերացման օժանդակ նյութեր

Ներկայումս, BeO-ով որպես սինթերացման օժանդակ միջոց սինթերացված տաք սեղմված SiC կերամիկան ունի սենյակային ջերմաստիճանում առավելագույն ջերմահաղորդականություն (270 Վտ·մ-1·Կ-1): Այնուամենայնիվ, BeO-ն խիստ թունավոր և քաղցկեղածին նյութ է և հարմար չէ լաբորատորիաներում կամ արդյունաբերական ոլորտներում լայնորեն կիրառման համար: Y2O3-Al2O3 համակարգի ամենացածր էվտեկտիկ կետը 1760℃ է, որը SiC կերամիկայի համար հեղուկ փուլային սինթերացման տարածված օժանդակ միջոց է: Այնուամենայնիվ, քանի որ Al3+-ը հեշտությամբ լուծվում է SiC ցանցի մեջ, երբ այս համակարգը օգտագործվում է որպես սինթերացման օժանդակ միջոց, SiC կերամիկայի սենյակային ջերմաստիճանում ջերմահաղորդականությունը 200 Վտ·մ-1·Կ-1-ից պակաս է:

Հազվագյուտ հողային տարրերը, ինչպիսիք են Y, Sm, Sc, Gd և La, հեշտությամբ չեն լուծվում SiC ցանցում և ունեն բարձր թթվածնային կապակցություն, ինչը կարող է արդյունավետորեն նվազեցնել SiC ցանցի թթվածնի պարունակությունը: Հետևաբար, Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) համակարգը տարածված սինթերացման օժանդակ միջոց է բարձր ջերմահաղորդականությամբ (>200W·m-1·K-1) SiC կերամիկա պատրաստելու համար: Y2O3-Sc2O3 համակարգի սինթերացման օժանդակ միջոցը որպես օրինակ վերցնելով՝ Y3+ և Si4+ իոնային շեղման արժեքը մեծ է, և երկուսն էլ չեն ենթարկվում պինդ լուծույթի: Sc-ի լուծելիությունը մաքուր SiC-ում 1800~2600℃ ջերմաստիճանում փոքր է, մոտ (2~3)×1017ատոմ·սմ-3:

② Բարձր ջերմաստիճանի ջերմային մշակում

SiC կերամիկայի բարձր ջերմաստիճանային ջերմային մշակումը նպաստում է ցանցի արատների, տեղաշարժերի և մնացորդային լարվածությունների վերացմանը, խթանում է որոշ ամորֆ նյութերի կառուցվածքային վերափոխումը բյուրեղների և թուլացնում ֆոնոնային ցրման էֆեկտը: Բացի այդ, բարձր ջերմաստիճանային ջերմային մշակումը կարող է արդյունավետորեն խթանել SiC հատիկների աճը և, ի վերջո, բարելավել նյութի ջերմային հատկությունները: Օրինակ, 1950°C-ում բարձր ջերմաստիճանային ջերմային մշակումից հետո SiC կերամիկայի ջերմային դիֆուզիայի գործակիցը 83.03 մմ²·վ-1-ից աճել է մինչև 89.50 մմ²·վ-1, իսկ սենյակային ջերմաստիճանի ջերմային հաղորդունակությունը 180.94 Վտ·մ-1·Կ-1-ից աճել է մինչև 192.17 Վտ·մ-1·Կ-1: Բարձր ջերմաստիճանային ջերմային մշակումը արդյունավետորեն բարելավում է SiC մակերեսին և ցանցին սինթերացնող նյութի ապաօքսիդացման ունակությունը և ավելի ամուր է դարձնում SiC հատիկների միջև կապը: Բարձր ջերմաստիճանային ջերմային մշակումից հետո SiC կերամիկայի սենյակային ջերմաստիճանի ջերմային հաղորդունակությունը զգալիորեն բարելավվել է: